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Submitted on 27 Nov 2018
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bois : semi-rigidité et résistance pour une situation
sismique
Sebastian Fuentes
To cite this version:
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Mémoire de thèse
présenté par
Sebastian FUENTES
Master 2R « innovation-mécanisme-matériaux-structure » (Université Blaise Pascal, Clermont) Ingénieur de Polytech’Clermont-Ferrand
Ingénieur de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Chili
pour obtenir le grade de
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NIVERSITÉ
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Comportement mécanique de planchers
diaphragmes en bois
— semi-rigidité et résistance pour une situation sismique —
-Jury-
M. Hans Joachim BLAß Professeur à Karlsruher Institut für Technologie Rapporteur M. Pascal PERROTIN Maître de conférences, HDR, Université de Savoie Rapporteur M. Joseph GRIL Directeur de recherche CNRS, Université Montpellier 2 Examinateur M. Alvaro PENA Professeur associé, PUCV, Valparaiso, Chili Examinateur M. Patrick RACHER Maître de conférences, HDR, Université Blaise Pascal Examinateur M. Abdelouahab KHELIL Professeur, IUT Nancy Brabois Examinateur M. Thierry LAMADON Bureau Veritas Invité
M. Eric FOURNELY Maître de conférences, Université Blaise Pascal Examinateur/Encadrant M. Abdelhamid BOUCHAIR Professeur, Université Blaise Pascal Directeur de thèse
« Les hommes: perdent la santé pour accumuler de l’argent. Ensuite ils perdent cet argent pour retrouver la santé et à penser anxieusement au futur, ils en oublient le présent. De telle sorte qu’ils finissent par ne vivre ni le présent ni le futur. Ils vivent comme s’ils n’allaient jamais mourir et meurent comme s’ils n’avaient jamais vécu ! »
REMERCIEMENTS
Tout d’abord je voudrais remercier mes parents Patricia ARAN et Flavio FUENTES, ma famille pour le support inconditionnel qu’ils m’ont donné dans la vie et dans cette expérience. Je remercie également mon encadrant de thèse Monsieur Eric FOURNELY pour sa confiance, sa disponibilité et pour toutes ses remarques constructives depuis je suis en France. Sans son aide mon travail n’aura jamais arrivé au bout.
Je remercie aussi mon directeur de thèse, Monsieur Abdelhamid BOUCHAIR, qui m’a donné l’opportunité de réaliser ma recherche au sein de l’institut Pascal. Il a toujours a été disponible pour superviser mes travaux et me donner des précieux conseils. Je remercie également les membres du jury qui ont accepté d'examiner mon travail et tout particulièrement les rapporteurs Messieurs Pascal PERROTIN et Hans Joachim BLAß qui m'ont apporté de précieuses remarques.
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RESUME
Pour les structures en bois comme pour les autres techniques de construction, les planchers jouent un rôle important dans le comportement global d’un bâtiment soumis à une sollicitation sismique. En plus de la reprise des efforts verticaux, ces planchers assurent le transfert des efforts horizontaux vers les murs de contreventement (fonction diaphragme). Pour cette fonction, le plancher peut être assimilé à une poutre courte disposée horizontalement et supportée par plusieurs appuis semi-rigides (murs de contreventement). En conséquence, la distribution des efforts sur les murs de contreventement est directement liée au rapport entre leurs raideurs et celle du plancher dans son plan.
Les planchers en bois traditionnels sont généralement composés par une poutraison (des solives, des entretoises et des poutres de chaînage) et une surface plane composée d’une juxtaposition de panneaux. La connexion panneaux-poutraison est généralement réalisée par des clous. Le dimensionnement de ces planchers est souvent piloté par les charges verticales et les caractéristiques mécaniques dans le plan sont rarement contrôlées.
Le comportement mécanique des planchers diaphragmes en bois est peu étudié dans la littérature. La présente thèse aborde ce comportement en s’appuyant sur trois approches : analytique, numérique (M.E.F.) et expérimentale. L’approche analytique s’inspire de celle utilisée par les codes de calcul sismique nord-américains. La modélisation numérique prend en compte la configuration géométrique réelle des diaphragmes ainsi que les effets non-linéaires matériels et géométriques. Deux types de modèles numériques sont proposés : « détaillé » et « simplifié ». Le modèle détaillé, utilisant des éléments de poutres et de coques, permet d’étudier la distribution des contraintes internes au sein du plancher. Le modèle simplifié, moins coûteux, s’appuie sur des éléments poutres et barres. Il permet de réaliser des analyses de sensibilité et il peut être utilisé dans des analyses de structures avec géométries complexes.
Une campagne expérimentale est conduite sur des planchers en bois. Deux planchers
(2,4x7,2m2), avec et sans entretoises, sont testés en flexion dans leur plan. Une instrumentation
riche composée de capteurs de déplacement, d’inclinomètres et d’un système de mesure sans contact, sont utilisés pour suivre le comportement de ces planchers aux niveaux global et local. Les observations expérimentales montrent un comportement fortement non-linéaire avec une influence importante des entretoises sur la raideur et la résistance. La rupture des panneaux est due à la flexion à mi portée ou à la compression près des angles en contact. La comparaison avec les résultats expérimentaux a permis de valider les modèles numériques développés. Ces modèles révèlent une forte participation de la connexion panneaux-poutraison aux comportements mécaniques des planchers aux niveaux global et local.
Le modèle numérique simplifié est utilisé pour mener une étude de sensibilité des planchers avec trémies. Ainsi, treize configurations de planchers sont analysées en vue d’identifier les positionnements les plus défavorables des trémies. Par ailleurs, l’application du modèle analytique montre qu’il représente correctement la phase linéaire du comportement des planchers qui est un paramètre utilisable dans les analyses à l’état limite de service. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus constituent une bonne base pour étendre le domaine d’application du modèle analytique.
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ABSTRACT
In timber structures as other, floors play an important role in the overall behaviour of a building subjected to seismic loading. In addition to the vertical forces, these floors transfer horizontal forces to the shear walls (diaphragm function). For this function, the floor can be considered as a short beam placed horizontally and supported by semi-rigid supports (shear walls). Therefore, the force distribution on the shear walls is directly related to the in-plane stiffness ratio between floors and shear walls.
Traditional wooden floors are usually composed by joists framing (joist, struts, chords beams) and a surface made by juxtaposed panels. The panel-joist framing connection is usually made by nails. Size of the floors elements is often driven by the vertical loads, thus mechanical properties in the plane are rarely checked.
The in-plane behaviour of timber floor is poorly studied in the literature. This thesis studies this behaviour using three approaches: analytical, numerical (FEM) and experimental. The analytical approach is based on that used in North American codes of seismic design. Numerical models take into account the actual geometry of the timber diaphragms and nonlinear effects (material and geometric). Two types of numerical models are proposed: "detailed" and "simplified". The detailed model, based on beams and shell elements, allows studying the distribution of internal stresses in the floor. The simplified model uses beams and bar elements. It allows carrying out sensitivity analysis and can be used to study complex geometries of floors.
An experimental campaign is conducted on timber floors. Two floors (2,4 x7,2m2), in blocked or
unblocked configuration, are tested in bending in their plane. Displacement transducers, inclinometers and a camera measuring system are used for monitoring the behaviour of floors at global and local levels. The experimental observations show a highly nonlinear behaviour with a significant influence of struts on the stiffness and strength. Panels failure due to bending and compression in the corners were observed. The comparison between experimental and numerical results allows validating the numerical models. These models show a significant participation of the panels-joist framing connection on the global and local mechanical behaviour of floors.
The simplified model is used to conduct a sensitivity analysis of floors with hoppers. Thirteen floors configurations are analyzed to identify the most unfavourable configurations of hoppers position. Furthermore, the analytical model represents well the linear phase of floors behaviour. The numerical and experimental results obtained provide a good basis to expand the scope of the analytical model.
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RESUMEN
Tanto en las estructuras de madera como en otras técnicas de construcción, las losas juegan un importante rol en el comportamiento global de un edificio sometido a una solicitación sísmica. Además de las cargas verticales, las losas deben transmitir las cargas horizontales hacia los muros de corte (función diafragma). En esta función, la losa puede ser tratada como una viga corta puesta horizontalmente y apoyada sobre soportes semi-rígidos (muros de corte). En consecuencia, la distribución de fuerzas entre los distintos muros de corte es determinada por la relación de rigidez entre estos muros y la losa.
Las losas tradicionales de madera son generalmente compuestas por un envigado (vigas transversales, canes o separadores, vigas periféricas) y una superficie construida con paneles yuxtapuestos. La conexión entre los paneles y el envigado es generalmente realizada con clavos. El dimensionamiento de estos elementos es habitualmente determinado por las cargas verticales, de esta manera las propiedades mecánicas en el plano de estas losas, son raramente controladas.
El comportamiento mecánico de los diafragmas de madera ha sido poco estudiado en la literatura. Esta tesis aborda este comportamiento a partir de tres enfoques: analítico, numérico (Elementos Finitos) y experimental. El método analítico considerado se basa en las ecuaciones propuestas por los códigos de diseño sísmico norteamericanos. La modelización numérica tiene en cuenta la configuración geométrica real de las losas y los efectos no-lineares de origen material y geométrico. Dos tipos de modelos numéricos son propuestos: "detallado" y "simplificado". El modelo detallado, es construido a partir de elementos finitos de tipo vigas y planos. Este modelo es utilizado principalmente para estudiar la distribución de esfuerzos internos en las losas. El modelo simplificado, construido a partir de elementos de vigas y barras, es utilizado para conducir análisis de sensibilidad.
Un estudio experimental sobre losas de madera es presentado. Dos losas (2,4 x7, 2m2) con y sin
separadores son testeadas en flexión en su plano. Un sistema de instrumentación compuesto por transductores de desplazamiento, inclinómetros y videocámaras, fueron utilizados para monitorear el comportamiento global y local de las losas. Las observaciones experimentales muestran un comportamiento altamente no-lineal con una fuerte influencia de los separadores sobre la rigidez y resistencia de la estructura. Los modos de ruptura observados corresponden a la ruptura de paneles en flexión y a la compresión local debido a transmisión de esfuerzos por contacto. La comparación de resultados experimentales y numéricos permite validar los modelos propuestos. Estos modelos muestran una fuerte participación de la conexión paneles-envigado sobre el comportamiento mecánico global y local de las losas.
El modelo numérico simplificado es utilizado para llevar a cabo un análisis de sensibilidad de losas con aberturas de escalera. Trece configuraciones de losas son analizadas para identificar la posición de abertura más desfavorable. Por otra parte, el modelo analítico representa correctamente el comportamiento de las losas en fase lineal. Los resultados numéricos y experimentales obtenidos proporcionan una buena base para ampliar el dominio de aplicación de este modelo analítico.
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TABLE DE NOTATIONS ET DE SIGLES
a : Distance entre les connecteurs et le bord du panneau
Ab : Section d’une barre semi-rigide
Ac : Section des poutres de chaînage
Acc : Section de la poutre de connexion panneaux-poutraison..
Ad : Section transversale des diagonales de treillis de panneau
Am : Section transversale des montants de mur
apan : Largeur de panneau
As : Section de cisaillement des panneaux
B : Largeur de mur de contreventement
bc : Largeur des poutres de chaînage
d : Distance entre le centre de gravité du plancher les poutres de chaînage
D : Diamètre des connecteurs d’assemblage de chainage
dcc, : Diamètre de la poutre de connexion panneaux-poutraison
dCIB : Distance des bras de camera aux cibles
dpan : Longueur de la diagonal de panneau
ds : Entraxe des solives
dv : Déplacement vertical d’un panneau dû à l’effort de tranchant
E : Module de Young
Eb : Module de Young des barres semi-rigides
Ec : Module de Young des poutres de chaînage
Ecc : Module de Young de la poutre de connexion panneaux-poutraison.
ecisaillement : Allongement de la longueur de la diagonale d’un panneau dû à l’effort de cisaillement
econnexion : Allongement de la diagonal du cadre (poutraison) due au glissement des connecteurs
Ed : Module de Young des diagonales de treillis de panneau
Em : Module de Young des montants du mur
en : Glissement de connecteur panneaux-poutraison, panneaux-cadre
Ep : Module de Young des panneaux
f3c : Force maximal du premier cycle de la troisième étape de chargement
fmax : Force maximale des éprouvettes de cisaillement des connecteurs
fya : Limite élastique analytique de plancher
fye : Limite élastique expérimentale de plancher
fyn : Limite élastique numériquement de plancher
G : Module de cisaillement
Ga : Module de cisaillement réduit des panneaux
Gd : Module de cisaillement de plancher selon N.E.H.R.P.
Gp : Module de cisaillement des panneaux (voiles travaillants)
H : Hauteur de mur de contreventement
h’ : Hauteur des éléments longitudinaux des treillis de panneau
hc : Hauteur des poutres de chaînage
hpan : Longueur de panneau
hs : Hauteur d’une solive
I : Moment d’inertie en flexion
Icc : Moment d’inertie de la poutre de connexion panneaux-poutraison
Icz : Moment d’inertie des poutres de chaînage autour l’axe z
Ilz : Moment d’inertie des éléments longitudinaux des treillis de panneau
Im : Moment d’inertie des montants du mur
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jx : Jeu entre les panneaux
k : Rigidité axial d’un ressort
ka : Rigidité axial de l’assemblage d’ancrage
kc : Rigidité axial des assemblages de chainage
kcn : Rigidité en phase élastique de la connexion panneaux-poutraison
kmur, km : Raideur de mur de contreventement dans son plan
kn : Rigidité axial d’un ressort orienté en direction n.
kplancher, kp : Raideur de plancher dans son plan
ksa : Raideur calculée analytiquement en phase élastique-linéaire de plancher
kse : Raideur expérimentale en phase élastique-linéaire de plancher
ksn : Raideur calculée numériquement en phase élastique-linéaire de plancher
L : Longueur de plancher
lb : Longueur d’une barre semi-rigide
Lcc : Longueur de la poutre de connexion panneaux-poutraison..
LCIB : Longueur de bras de camera
Lcp : Longueur d’élément poutre modélisant les assemblages de chaînage
lt1 : Longueur horizontale d’une section de treillis de panneau
lt2 : Hauteur d’une section de treillis de panneau de panneau
lt3 : Longueur de la diagonale d’une section de treillis de panneau
̅ : Effort axial sur une barre semi-rigide i dû à la charge virtuelle unitaire
Nb : Effort axial sur une barre semi-rigide i dû aux sollicitations réelles
Nn : Force sollicitant sur l’assemblage de chainage
Q : Charge répartie
rx : Rotation autour l’axe x
ry : Rotation autour l’axe y
rz : Rotation autour l’axe z
tf : Epaisseur effective de cisaillement des panneaux
ua : Déplacement axial du nœud a d’un ressort
ub : Déplacement axial du nœud b d’un ressort
ux : Déplacement suivant l’axe x
uy : Déplacement suivant l’axe y
uz : Déplacement suivant l’axe z
V : Effort de cisaillement par unité de longueur de mur de contreventement
Vmax : Effort tranchant maximal
vmax,pan : Part de l’effort de tranchant reprise par un panneau d’extrémité
vn : Force moyenne sur chaque connecteur avec un espacement constant
Vn : Force de cisaillement maximal sur un connecteur
vn’ : Force moyenne sur chaque connecteur espacé non-uniformément
vs(ASD) : Résistance nominale au séisme selon la méthode A.S.D.
W : Largeur du plancher
ancrage : Déflexion due au glissement des assemblages d’ancrage des murs chaînage : Déflexion due au glissement des assemblages de continuité de chainage cisaillement : Déflexion par l’effet de l’effort de cisaillement
connexion : Déflexion due à la semi-rigidité de la connexion panneaux-poutraison/ossature en bois
flexion : La déflexion par l’effet du moment fléchissant
mur : Déplacement maximal des murs dans son plan
plancher : Flèche maximale à mi-portée dans le plan de plancher
t : Déplacement vertical maximal d’une section de treillis de panneau
: Facteur de dimensions des panneaux
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c : Glissement d’un assemblage de chaînage
: Angle entre la direction de déplacement du connecteur et la diagonale du
panneau
: Angle de la diagonale du panneau
: Angle des diagonales du treillis modélisant un panneau
A.F.P.A. : American Forest & Paper Association
A.P.A. : American Plywood Association
A.S.C.E. : American Society of Civil Engineers
A.S.D. : Allowable Stress Design
A.T.C. : Applied Technology Council
C.L.T. : Cross-laminated timber
C.N.R.S. : Centre National de la Recherche Scientifique
C.U.R.E.E. : Consortium Of Universities For Research In Earthquake Engineering
D.F.P.A. : Douglas-Fir Plywood Association
I.B.C. : International Building Code
M.E.F. : Méthode Eléments Finis
M.O.B. : Maison à Ossature en Bois
N.E.H.R.P. : National Earthquake Hazards Reduction Program
O.S.U. : Oregon State university
R.d.C. : Rez-de-chaussée
R.d.M. : Résistance de Matériaux
S.D.P.W.S. : Special Design Provisions for Wind and Seismic
U.o.D. : University of Delaware
V.P.I. : Virginia Polytechnic Institute
W.F.P.L. : Western Forest Products Laboratory
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TABLE DE FIGURES
Figure I-1. Configurations courantes de planchers diaphragmes en bois. ... 34
Figure I-2. Configuration courante d’un mur de contreventement à ossature en bois avec une ouverture. ... 35
Figure I-3. Schéma de distribution des efforts d’origine sismique d’un bâtiment composé par des diaphragmes ... 36
Figure I-4. Plancher-diaphragme réagissant comme une poutre en I de grande hauteur (poutre courte). ... 37
Figure I-5. Modélisation d’un plancher comme une poutre sur trois appuis élastiques (trois murs). ... 38
Figure I-6. Variation de la distribution des efforts sur les murs en fonction du rapport de raideur murs/plancher ... 38
Figure I-7. Déformation globale et locale des planchers diaphragmes... 39
Figure I-8. Structure (MOB) testée par Phillips. ... 42
Figure I-9. Structure testée par Filiatrault ... 43
Figure I-10. Différentes configurations de planchers testés par Wescott.. ... 45
Figure I-11. Modèle numérique proposé par Foschi ... 47
Figure I-12. Modèle de connexion par 2 ressorts orthogonaux proposé par Itani et Cheung. ... 48
Figure I-13. Modèle proposé par Dolan. ... 50
Figure I-14. Modèle de connexion par 2 ressorts orientés proposé par Judd. ... 53
Figure I-15. Différentes bornes de classement des planchers selon leur raideur. ... 59
Figure I-16. Distribution des efforts sismiques selon le type de plancher ... 60
Figure I-17. Comportement des connecteurs dans le plancher. ... 64
Figure I-18. Déformée d’un panneau dû au glissement de la connexion. ... 64
Figure I-19. Déformée d’un panneau dû aux efforts de cisaillement. ... 65
Figure I-20. Effet des assemblage de continuité des poutres de chaînage. ... 67
Figure I-21. Poutre treillis composé par de sections rigides et ressorts. ... 67
Figure I-22. Modélisation du déplacement horizontal d’un mur dû au glissement de l’assemblage d’ancrage. ... 71
Figure II-1. Modélisation de la poutraison par éléments finis de type poutre. ... 85
Figure II-2. Modèle de panneau en fonction de poutre en console. ... 86
Figure II-3. Comparaison des contraintes pour différents éléments de coques (demi-hauteur de panneau). ... 87
Figure II-4. Utilisation des treillis pour modéliser des diaphragmes en bois. ... 88
Figure II-5. Modélisation des panneaux par des treillis hyperstatiques. ... 89
Figure II-6. Calcul des sections des éléments de poutres horizontales. ... 89
Figure II-7. Treillis en console soumis à une charge ponctuelle P. Efforts sur chaque barre. ... 90
Figure II-8. Comparaison du déplacement entre un Treillis et un panneau en console. ... 91
Figure II-9. Panneau modélisé par un treillis. ... 92
Figure II-10. Ressort avec 1 degré de liberté et une rigidité axiale k. ... 93
Figure II-11. Modélisation du glissement d’un clou. ... 93
Figure II-12. Système de connexion à deux ressorts orthogonaux non-orientés. ... 94
Figure II-13. Systèmes de modélisation des connecteurs par ressorts sous effort axial. ... 95
Figure II-14. Modèle de connexion à deux ressorts orientés ... 97
Figure II-15. Modélisation de connexion par des éléments poutre en flexion ... 97
Figure II-16. Conditions limites d’élément poutre considéré. ... 98
Figure II-17. Modélisation d’un panneau cloué sur un cadre en bois, application des trois modèles de connexion. ... 100
Figure II-18. Courbe force-glissement moyenne de la connexion (un clou). ... 101
Figure II-19. Orientation de la réaction sur les connecteurs. ... 101
Figure II-20. Comparaison de résultats des différentes méthodes de modélisation de connexion. ... 102
Figure II-21. Modèle de contact par relation linéaire des déplacements des nœuds. ... 103
Figure II-22. Application des éléments auxiliaires de contact entre deux panneaux. ... 104
Figure II-23. Test de contact frontal entre panneaux... 105
Figure II-24. Distribution des contraintes xx lors du contact entre les panneaux ... 105
Figure II-25. Résultats du modèle de contact frontal. ... 105
Figure II-26. Test de contact entre deux panneaux superposés. ... 106
Figure II-27. Distribution de contraintes à mi-travée sur une demi-hauteur du panneau inférieure.. ... 106
Figure II-28. Evolution des déplacements verticaux maximaux... 107
Figure II-29. Modélisation des assemblages de continuité de chaînage. ... 108
Figure II-30. Analogie entre la déformation de l’assemblage et celle d’une poutre sous effort axial. ... 108
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Figure II-32. Comparaison des résultats numériques et analytiques (poutre treillis). ... 110
Figure II-33. Configuration complète du plancher modélisé. ... 111
Figure II-34. Structure étudiée dans la première étape de modélisation.. ... 112
Figure II-35. Modèles de plancher avec panneau continu et connexion rigide. ... 113
Figure II-36. Modèle numérique avec un panneau continu, chainages, solives, entretoises et connexion rigide. ... 113
Figure II-37. Résultats de déplacement d’un plancher avec panneau continu et connexion rigide ... 114
Figure II-38. Modélisation du système de connexion panneaux-poutraison. ... 115
Figure II-39. Loi force-glissement appliqué aux connecteurs. ... 116
Figure II-40. Modèle de plancher avec un panneau continue et une connexion semi-rigide. ... 116
Figure II-41. Influence de la semi-rigidité de la connexion panneaux-poutraison ... 117
Figure II-42. Déformée du modèle M2 (facteur d’amplification 30) pour une charge de 20kN/m. ... 117
Figure II-43. Influence de la prise en compte de la discontinuité des panneaux... 119
Figure II-44. Ensemble des résultats de l’étape 3. ... 119
Figure II-45. Déformée du modèle sans contact, chargement 20kN/m et facteur d’amplification 20. ... 120
Figure II-46. Comparaison des résultats de l’étape 3.. ... 120
Figure II-47. Influence des discontinuités aux chaînages, comparaison des résultats numériques ... 122
Figure II-48. Efforts sur les assemblages de chaînage en fonction de la charge totale appliqué sur le plancher. ... 123
Figure II-49. Remplacement des éléments coques des panneaux par des treillis hyperstatiques. ... 123
Figure II-50. Modèle de plancher en treillis sans pris en compte du contact. ... 124
Figure II-51. Comparaison des résultats des modèles simplifié M3-bs et détaillé M3-b. ... 124
Figure II-52. Différence de taille entre le panneau réel et les modèle de treillis ... 125
Figure II-53. Mis en place des éléments auxiliaires de contact sur le modèle simplifié de panneau. ... 125
Figure II-54. Comparaison de la prise en compte du contact entre le modèle détaillé et le modèle simplifié. ... 126
Figure II-55. Comparaison des résultats des modèles simplifié M3-as et détaillé M3-a. ... 126
Figure II-56. Comparaison des résultats des modèles simplifié M4s et détaillé M4. ... 127
Figure III-1. Schéma de configuration d’essais de flexion des planchers. ... 136
Figure III-2. Vue du montage expérimental et du plancher 1. ... 136
Figure III-3. Composition des planchers étudiés, côtes en millimètres. ... 137
Figure III-4. Assemblages des composants des planchers. ... 137
Figure III-5. Assemblages des composants des planchers (connexion entretoises-solives par clous lardés). ... 138
Figure III-6. Notation utilisée pour les composants des planchers. ... 138
Figure III-7. Chronologie de manutention et de stockage des planchers. ... 139
Figure III-8. Distribution des jeux (mm) entre les panneaux (avant essais). ... 140
Figure III-9. Eprouvette et essai de cisaillement (connexion panneaux-poutraison). ... 141
Figure III-10. Loi moyenne force-glissement de la connexion panneaux-poutraisone (pour un clou) ... 141
Figure III-11. Schéma du système de chargement. ... 143
Figure III-12. Mise en place du système d’application de charge. ... 143
Figure III-13. Déplacements cibles et protocole de chargement. ... 144
Figure III-14. Positionnement des anti-dévers extérieurs et centraux. ... 144
Figure III-15. Structures d’anti-déversement. ... 145
Figure III-16. Système d’appuis simples des planchers. ... 145
Figure III-17. Conditions limites de l’essai de flexion sur les planchers. ... 146
Figure III-18. Schéma de positionnement des capteurs de déplacement et des inclinomètres. ... 147
Figure III-19. Mise en place des capteurs de déplacements et des inclinomètres. ... 147
Figure III-20. Description du champ de vision des caméras de vidéométrie. ... 148
Figure III-21. Vision des caméras. ... 148
Figure III-22. Plan de mise en place des cibles sur les planchers. ... 149
Figure III-23. Vue générale du système de vidéométrie mis en place. ... 149
Figure III-24. Loi force-déplacement dans le plan du plancher 1. ... 150
Figure III-25. Loi force-déplacement dans le plan du plancher 2 ... 151
Figure III-26. Courbes enveloppes des planchers avec et sans entretoises. ... 151
Figure III-27. Force totale appliquée sur le plancher 1 ... 152
Figure III-28. Force totale appliquée sur le plancher 2 ... 153
Figure III-29. Evolution de la raideur élastique du plancher 1. ... 153
Figure III-30. Evolution de la raideur élastique du plancher 2. ... 154
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Figure III-32. Plancher 1 après essai (déformée résiduelle et zones de rupture de panneaux). ... 155
Figure III-33. Position des la rupture des panneaux, plancher 1 et 2. ... 156
Figure III-34. Détail des ruptures des panneaux du plancher1. ... 156
Figure III-35. Détail des ruptures des panneaux du plancher2. ... 157
Figure III-36. Schéma des panneaux avant et après rupture pour les deux planchers. ... 157
Figure III-37. Déformé des panneaux déterminée à partir du système de vidéométrie. ... 158
Figure III-38. Evolution de la rotation des panneaux PAN2-1 et PAN2-2 du plancher 1. ... 158
Figure III-39. Evolution de la force totale en fonction du glissement relatif entre les panneaux PAN1-3 et PAN2-4. . 159
Figure III-40. Evolution des jeux entre les panneaux PAN4-2 et PAN4-3 pour le plancher 2 ... 160
Figure III-41. Rupture due à l’écrasement des panneaux dans les zones de contact (coins de panneaux). ... 160
Figure III-42. Déformée des poutres de chaînage CHA-B dans le plan x-y. ... 161
Figure III-43. Déformation résiduelle des assemblages solive-chaînage, SOL-11 du plancher 2. ... 161
Figure III-44. Rotation des solives SOL-2 et SOL-6 par rapport au poutre CHA-B du plancher 1 ... 162
Figure III-45. Rotation des entretoises ENT2-1 et ENT2-6 par rapport aux solives du plancher 1. ... 162
Figure III-46. Déformation globale de la poutraison (vue du côté poutraison). ... 162
Figure III-47. Section transversale du plancher avec entretoises... 163
Figure III-48. Déformation hors plan, vue de la poutre CHA-B (plancher 1). ... 163
Figure III-49. Profils longitudinaux des déplacements hors plan de la poutre CHA-B. ... 164
Figure III-50. Profils longitudinaux de déplacement hors plan sur différentes hauteurs (plancher 1). ... 164
Figure III-51. Relevés des inclinomètres. ... 165
Figure III-52. Section des planchers analysés et exemples de déformation des clous. ... 166
Figure III-53. Direction de la sollicitation des clous dans la zone inférieure droite des planchers. ... 166
Figure III-54. Déformation des clous sollicités perpendiculairement aux sens des fibres du bois. ... 167
Figure III-55. Rupture localisé de panneau dû au glissement des clous. ... 168
Figure III-56. Exemple de déformée des panneaux et de la poutraison. ... 168
Figure IV-1. Loi force-glissement des connecteurs considérée dans le modèle. (Comportement par clou) ... 176
Figure IV-2. Modèles numériques et conditions limites appliquées. ... 176
Figure IV-3. Courbes force-déplacement expérimentales, numériques et analytiques du plancher 1.. ... 177
Figure IV-4. Evolution de la raideur sécante num. et ana. par rapport aux valeurs expérimentales (plancher 1). ... 178
Figure IV-5. Courbes force-déplacement expérimentales, numériques et analytiques du plancher 2. ... 179
Figure IV-6. Evolution de la raideur sécante num. et ana. par rapport aux valeurs expérimentales (plancher 2). ... 179
Figure IV-7. Déformée des panneaux du plancher 1 pour un chargement de 115kN ... 180
Figure IV-8. Déplacements des cibles du panneau PAN4-3 du plancher 1. Comparaison des résultats num et exp... 180
Figure IV-9. Résultats numériques de rotation des panneaux PAN2-1 et PAN2-2. ... 181
Figure IV-10. Distribution des contraintes internes dans les panneaux du plancher 1. ... 182
Figure IV-11. Distribution des contraintes xx dans les panneaux PAN2-2, PAN4-2. ... 183
Figure IV-12. Direction des efforts sur les connecteurs des panneaux PAN3-1, PAN4-1 et PAN4-2 du plancher 1. .... 184
Figure IV-13. Direction des efforts sur les connecteurs des panneaux PAN3-1, PAN4-1 et PAN4-2 du plancher 2. .... 184
Figure IV-14. Différence de direction des efforts sur les connecteurs entre le calcul num. et l’expérimentation. ... 184
Figure IV-15. Direction des efforts sur les connecteurs du panneau PAN4-1 pour un chargement de 11 et 115kN. .. 185
Figure IV-16. Variation de la direction de la sollicitation sur un clou en fonction du chargement sur le plancher... ... 185
Figure IV-17. Profils longitudinaux de la déformée hors plan de la poutre de chaînage CHA-B. ... 186
Figure IV-18. Effet d’une variation de ±20% dans les propriétés mécaniques de la poutraison du plancher 1. ... 187
Figure IV-19. Effet d’une variation de ±20% dans les propriétés mécaniques de la poutraison du plancher 2. ... 188
Figure IV-20. Effet d’une variation des propriétés mécaniques des panneaux du plancher 1. ... 188
Figure IV-21. Calcul analytique de l’effet d’une variation des propriétés mécaniques des panneaux du plancher 1. . 189
Figure IV-22. Effet d’une variation des propriétés mécaniques des panneaux du plancher 2.. ... 190
Figure IV-23. Calcul analytique de l’effet d’une variation des propriétés mécaniques des panneaux du plancher 2. . 190
Figure IV-24. Résultats du modèle avec prise en compte des panneaux affectés pas l’humidité (Num PAN4-n). ... 191
Figure IV-25. Eprouvette de cisaillement des clous.. ... 192
Figure IV-26. Lois force-glissement par clous des trois types d’éprouvettes de cisaillement. ... 192
Figure IV-27. Modes de rupture des éprouvettes de cisaillement, associés aux ruptures dans les planchers. ... 193
Figure IV-28. Application des lois mécaniques pour les clous en fonction de la direction de la sollicitation. ... 193
Figure IV-29. Effet de l’intégration d’une deuxième loi de cisaillement des clous sur le plancher 1. ... 194
Figure IV-30. Evolution de la raideur sécante des modèles num par rapport aux valeurs exp. (plancher 1). ... 194
20
Figure IV-32. Modèle numérique du plancher 1 avec charge répartie. ... 195
Figure IV-33. Résultats des modèles de plancher avec une charge répartie. ... 196
Figure IV-34. Evolution d’écart de la raideur sécante ana. et num. pour les deux types de chargement. ... 196
Figure IV-35. Distribution des efforts sur les clous du panneau PAN3-1 pour les deux types de charges étudiées. .... 197
Figure IV-36. Inversement des conditions limites du plancher. ... 198
Figure IV-37. Comparaison des résultats des deux configurations testés. ... 198
Figure IV-38. Modèles détaillé et simplifié pour un demi-plancher. ... 199
Figure IV-39. Couplage des modèles détaillé et simplifié pour la modélisation du plancher complet. ... 199
Figure IV-40. Comparaison des résultats des différents modèles analysés. ... 200
Figure IV-41. Caractéristiques géométriques et mécaniques de la configuration MT-0 (plancher sans trémies) ... 201
Figure IV-42. Configuration des planchers avec trémies étudiées. ... 201
Figure IV-43. Courbe charge-déplacement à mi portée des différentes configurations de planchers avec trémie. ... 202
Figure IV-44. Comportement mécanique de la configuration MT-1. ... 202
Figure IV-45. Quatre cas de renfort de trémie pour la configuration de plancher MT-1.. ... 203
Figure IV-46. Comparaison des résultats des différents cas de renfort du plancher avec tremie. ... 203
Figure V-1. Structure plancher-murs sollicitée par une charge horizontale répartie. ... 219
Figure V-2. Configuration géométrique du plancher. ... 220
Figure V-3. Configuration géométrique du mur avec une ouverture. ... 220
Figure V-4. Contribution des différents facteurs sur le déplacement total du plancher. ... 224
Figure V-5. Résultats de déplacements en fonction de la charge appliquée. ... 224
Figure V-6. Dimensions des planchers. ... 231
Figure V-7. Detaille de poutraison du plancher avec entretoises. ... 231
Figure V-8. Detaille de distribution des connecteurs du plancher avec entretoises. ... 231
Figure V-9. Detaille de poutraison du plancher sans entretoises. ... 232
Figure V-10. Detaille de distribution des connecteurs du plancher sans entretoises. ... 232
Figure V-11. Description des éprouvettes du type A. ... 233
Figure V-12. Courbe Force-glissement des éprouvettes du type A avec des panneaux OSB. ... 233
Figure V-13. Courbe Force-glissement des éprouvettes du type A avec des panneaux aux particules. ... 234
Figure V-14. Description des éprouvettes du type B. ... 234
Figure V-15. Courbe Force-glissement des éprouvettes du type B avec des panneaux aux particules. ... 235
Figure V-16. Description des éprouvettes du type C. ... 235
Figure V-17. Courbe Force-glissement des éprouvettes du type C avec des panneaux aux particules. ... 236
Figure V-18. Comparaison des résultats moyens des différentes éprouvettes testés... 236
21
SOMMAIRE
Resumé __________________________________________________________________________________________ 7
Abstract _________________________________________________________________________________________ 9
Resumen ______________________________________________________________________________________ 11
Table de notations et de sigles ____________________________________________________________ 13
Table de figures ______________________________________________________________________________ 17
Introduction Générale ______________________________________________________________________ 25
Chapitre I. Les diaphragmes en bois : Constitution et comportement ______________ 29
Introduction du Chapitre I _________________________________________________________________ 31
I.1 Diaphragmes horizontaux et verticaux en bois _______________________________________ 33
I.1.1 Configuration géométrique des planchers diaphragmes et des murs de contreventement 33 I.1.2 Fonctionnement mécanique d’un bâtiment en bois sous sollicitation sismique ____________ 36
I.2 Caractérisations des propriétés mécaniques des diaphragmes en bois ___________ 40
I.2.1 Expérimentations ________________________________________________________________________________ 40 I.2.2 Modélisations numériques des diaphragmes en bois _________________________________________ 46 I.2.3 Modèles analytiques _____________________________________________________________________________ 55
I.3 Approches normatives pour l’analyse des diaphragmes en bois ___________________ 58
I.3.1 Calcul des déplacements d’un plancher diaphragme _________________________________________ 61 I.3.2 Calcul des déplacements d’un mur de contreventement _____________________________________ 69 I.3.3 Synthèse des formules prescrites par différents codes _______________________________________ 71
I.4 Bilan du chapitre ___________________________________________________________________________ 77
Conclusion du chapitre I ___________________________________________________________________ 79
Chapitre II. Modélisation numérique des planchers diaphragmes __________________ 81
Introduction du Chapitre II ________________________________________________________________ 83
II.1 Modélisation par éléments finis des composants et liaisons d’un plancher
diaphragme en bois _________________________________________________________________ 84
II.1.1 Modélisation de la poutraison du plancher ____________________________________________________ 84 II.1.2 Modélisation des panneaux de plancher _______________________________________________________ 85 II.1.3 Modélisation de la connexion panneaux-poutraison __________________________________________ 92 II.1.4 Modélisation du contact entre les panneaux _________________________________________________ 102 II.1.5 Modélisation des assemblages des chaînages ________________________________________________ 107
II.2 Mise en Application du modèle numérique proposé _______________________________ 111
II.2.1 Modélisation détaillée __________________________________________________________________________ 112 II.2.2 Modélisation simplifiée ________________________________________________________________________ 123
II.3 Bilan du chapitre _________________________________________________________________________ 128
22
Chapitre III. Etude experimentale d’un plancher diaphragme ______________________ 133
Introduction du Chapitre III ______________________________________________________________ 135
III.1 Campagne expérimentale (flexion dans le plan) ____________________________________ 136
III.1.1 Description du corps d’épreuve _______________________________________________________________ 136 III.1.2 Suivi des corps d’épreuve et caractérisation des composants ______________________________ 139 III.1.3 Système expérimental __________________________________________________________________________ 142
III.2 Comportement global des planchers __________________________________________________ 150
III.2.1 Courbe force-déplacement dans le plan _______________________________________________________ 150 III.2.2 Evolution de la force appliquée lors des cycles de chargement _____________________________ 152 III.2.3 Evolution des raideurs élastiques _____________________________________________________________ 153 III.2.4 Evolution de la dissipation d’énergie __________________________________________________________ 154
III.3 Modes de rupture et déformations locales des planchers _________________________ 155
III.3.1 Ruptures de panneaux _________________________________________________________________________ 155 III.3.2 Rotations et translations relatives des panneaux ____________________________________________ 157 III.3.3 Evolution du contact entres les panneaux ____________________________________________________ 159 III.3.4 Déformation de la poutraison__________________________________________________________________ 161 III.3.5 Déplacements et rotation hors plan ___________________________________________________________ 163 III.3.6 Orientation des efforts sur la connexion panneaux-poutraison _____________________________ 165
III.4 Bilan du chapitre _________________________________________________________________________ 169
Conclusion du Chapitre III ________________________________________________________________ 170
Chapitre IV. Etude numérique des planchers diapragmes ___________________________ 173
Introduction du Chapitre IV ______________________________________________________________ 175
IV.1 Validation des modèles numérique et analytique __________________________________ 176
IV.1.1 Courbe force-déplacement dans le plan _______________________________________________________ 177 IV.1.2 Modes de déformation et contraintes sur les panneaux _____________________________________ 180 IV.1.3 Orientation et intensité des sollicitations sur les connecteurs ______________________________ 183 IV.1.4 Déplacement hors plans ________________________________________________________________________ 186
IV.2 Etude de sensibilité du modèle ________________________________________________________ 187
IV.2.1 Variation des propriétés mécaniques de la poutraison ______________________________________ 187 IV.2.2 Variation des propriétés mécaniques des panneaux _________________________________________ 188 IV.2.3 Variation des caractéristiques de connexion _________________________________________________ 191 IV.2.4 Configuration du chargement __________________________________________________________________ 195
IV.3 Mise en application des approches numériques ____________________________________ 199
IV.3.1 Couplage des modèles numériques détaillé et simplifié _____________________________________ 199 IV.3.2 Trémies __________________________________________________________________________________________ 200
IV.4 Bilan du chapitre _________________________________________________________________________ 204
23
Anexes ________________________________________________________________________________________ 217
25
INTRODUCTION GENERALE
Le bois est aujourd’hui considéré comme un matériau de construction utilisable dans la plupart des ouvrages de génie civil. Il est employé pour la construction des bâtiments, des ponts, des stades, des ouvrages maritimes, etc. Dans les zones où le matériau est facilement accessible, la construction en bois est souvent privilégiée dans l’édification de maisons individuelles. De plus, le développement de nouveaux éléments structuraux à base de bois, tels que les panneaux, les poutres composites et les briques, favorise l’évolution des techniques constructives dans le domaine du bois.
Actuellement, le type de construction en bois le plus courant aux Etats Unis, Canada, Europe et Japon est une construction basée sur des murs de contreventement (diaphragmes verticaux) et de planchers fonctionnant comme des diaphragmes horizontaux [ARN 2011]. Dans ce type de construction, les murs de contreventement sont composés par une ossature en bois, constituée de montants verticaux avec lisses hautes et basses, revêtue de panneaux fixés par des pointes ou vis. Ces murs permettent de transférer des charges verticales et horizontales dans leur plan vers les fondations.
La structure du plancher, proche de celle des murs, est composée par des solives revêtues de panneaux qui constituent la surface d’exploitation. Ainsi le plancher doit assurer la reprise des charges verticales (poids propre et exploitation) et des charges horizontales engendrées par le vent ou les accélérations sismiques. Ces charges sont transmises vers les murs primaires de contreventement et/ou de portance verticale. Malgré la diversité des charges qu’un plancher diaphragme doit reprendre, son dimensionnement est généralement piloté par le fonctionnement sous charges verticales. La section et la disposition des solives sont déterminées afin d’optimiser la résistance en flexion hors plan du plancher. Pour les panneaux, leur épaisseur est calculée afin de favoriser le transfert des efforts verticaux vers les solives. De cette manière, dans la plupart des cas, la capacité de transfert des charges horizontales du plancher et sa qualité de diaphragme est plutôt une conséquence qu’un aspect pleinement contrôlé.
26
Si on discrétise les masses du bâtiment par étage, les forces horizontales d’inertie peuvent être considérées comme des forces uniformément réparties et appliquées aux droits des planchers. Toutefois, à cause des dimensions, des configurations et des caractéristiques des composants, les planchers montrent généralement une grande capacité résistante dans le plan. En fait, les panneaux présentent une inertie plus élevée dans le plan que hors plan. En conséquence, les planchers diaphragmes en bois, de forme rectangulaire peu élancée et sans trémie de grandes dimensions, présentent rarement des problèmes liés à leur résistance dans le plan. Cependant, lors d’un événement sismique, le comportement global du bâtiment est souvent gouverné par le rapport entre les raideurs des murs de contreventement et celle du plancher. [DOL 1999]. Afin de déterminer la méthode d’analyse à considérer, les codes de calcul sismique requièrent une évaluation de la rigidité ou semi-rigidité des diaphragmes horizontaux par rapport à la raideur des murs de contreventement [CEN 1998, AFPA 2008, NEHRP 2000, …]. Actuellement, il n’existe pas de méthodes de calcul qui permettent au concepteur de prévoir aisément et précisément la résistance et les caractéristiques de raideur d’un plancher donné. Des méthodes approchées existent mais elles présentent des limitations d’application et requièrent des facteurs qui ne sont pas toujours faciles à déterminer. Aussi, certains paramètres de ces méthodes sont calés pour des configurations relativement éloignées de celles utilisées en France. Ces méthodes ne sont pas applicables lorsque le plancher diaphragme présente des irrégularités dues à des formes non-symétriques, à la présence de trémies, à un comportement non-linéaire marqué ou à une grande distance entre les centres de torsion et de masse dans le plan. Par exemple, pour prendre en compte les effets de torsion, on doit considérer un diaphragme rigide avec une hypothèse de transfert des efforts basée sur la raideur relative des murs de contreventement [VU 2011]. Ainsi, pour déterminer le type de comportement et la performance mécanique d’un bâtiment en bois, il est nécessaire de trouver une méthode qui permet d’évaluer les caractéristiques de raideur des planchers diaphragmes en vue de les comparer avec celles des éléments de contreventement.
Le travail développé dans la présente thèse se focalise sur le comportement mécanique dans le plan des planchers diaphragmes en bois. Ainsi, des approches analytiques, numériques et expérimentales sont considérées. Le mémoire est organisé en quatre chapitres :
Le premier chapitre présente une analyse de l’état de l’art. Ainsi, la structure de plancher
27
Le chapitre II présente le développement d’un modèle numérique sur la base d’éléments
finis pour l’étude des planchers diaphragmes. Ce modèle représente tous les composants des planchers ainsi que les effets non-linéaires tels que la plastification des assemblages et les effets de contact entre panneaux. Dans un premier temps, des modèles de composants de plancher sont présentés. Ensuite, ces modèles sont associés afin de construire deux modèles de planchers entiers : un détaillé et un simplifié. Une comparaison des résultats numériques et analytiques avec les résultats issus de la bibliographie, constitue un premier niveau de validation des modélisations.
Le chapitre III décrit la campagne expérimentale conduite dans le cadre de ce travail de
thèse. Cette campagne concerne des essais de flexion dans le plan de deux planchers
diaphragmes en bois à échelle réelle (2,4x7,2m2). Deux configurations de planchers sont
étudiées : avec et sans entretoises. Une description détaillée du corps d’épreuve et du système expérimental est présentée. Ensuite, les résultats traduisant les comportements mécaniques globaux et locaux des planchers sont présentés et analysés. Les analyses concernent en particulier les caractéristiques de raideur dans le plan et les modes de rupture des planchers.
Le chapitre IV présente des applications des modèles numériques développés dans le chapitre II. Ainsi, les planchers testés expérimentalement et présentés dans le chapitre III sont modélisés. Aussi, une application de la méthode analytique présentée dans le chapitre I est proposée. La comparaison des résultats numériques et analytiques avec ceux des essais permet de définir les limites des différentes approches. Une étude de sensibilité du comportement du plancher à différents paramètres permet de raffiner le modèle numérique proposé. En fin du chapitre, une étude du comportement mécanique des planchers avec trémie montre un exemple pour illustrer le potentiel d’application des modèles numériques.
A la fin de chaque chapitre, un bilan des observations les plus pertinentes est présenté.
Le document comporte aussi quatre annexes qui apportent des précisions sur les planchers testés et les calculs utilisés.
Annexe A : expose l’application des équations analytiques pour le calcul des
déplacements des diaphragmes en bois.
Annexe B : présente les plans détaillés des planchers testés.
Annexe C : rapporte les résultats des essais de cisaillement de connecteurs
panneaux-poutraison.
I
LES DIAPHRAGMES EN BOIS : CONSTITUTION ET COMPORTEMENT
CHAPITRE I
LES DIAPHRAGMES EN BOIS :
CONSTITUTION ET COMPORTEMENT
I-1
Diaphragmes horizontaux et verticaux en bois
I-2
Caractérisations des propriétés mécaniques des
diaphragmes en bois
I-3 Approches normatives pour l’analyse des diaphragmes
en bois
31
INTRODUCTION DU CHAPITRE I
Pour la réalisation des bâtiments courants en zone sismique, la construction bois présente de nombreux atouts. Sa légèreté est le premier atout qui vient à l’esprit, encore faut-il que la structure en bois soit associée par exemple à des éléments non structuraux légers. La capacité potentielle de dissipation dans les zones d’assemblage est un atout tout aussi important [BRA 2011, FRU 2011]. Par ailleurs, le bois est un matériau naturel, renouvelable, qui nécessite peu de transformation et qui présente un bilan énergétique très intéressant. Ces arguments montrent l’intérêt d’étudier et de développer les techniques de construction en bois. Un squelette classique de structure en bois est constitué de murs de contreventement, de planchers et d’une charpente. En zone sismique, ce système structural devra assurer la stabilité horizontale du bâtiment où les planchers et la toiture jouent le rôle de diaphragmes. La fonction principale de ces diaphragmes est de reprendre les efforts horizontaux au niveau de chaque étage et de les transférer vers les systèmes de contreventement. Cependant, la distribution de ces efforts est fortement influencée par les caractéristiques mécaniques des diaphragmes et notamment par leur raideur dans le plan. Ainsi, afin de prévoir le comportement mécanique du bâtiment sous sollicitation sismique, il est nécessaire de connaître les caractéristiques de raideur des diaphragmes horizontaux tels que les planchers diaphragmes.
Bien qu’un plancher diaphragme soit une structure relativement simple, son comportement mécanique dans le plan est complexe. Des phénomènes non-linéaires, tels que le comportement mécanique des assemblages, ou la mise en contact de composants sont à prendre en compte pour bien estimer la raideur dans le plan. Différentes approches existent pour l’étude de ces structures, en particulier des essais de configurations usuelles et la recherche de formules analytiques associées à ces configurations.
Le chapitre I fait un bilan sur l’état de l’art relatif au comportement mécanique des diaphragmes en bois. Il permet de couvrir trois aspects importants qui concernent la description des planchers et ossatures en bois objet de l’étude, la caractérisation des propriétés mécaniques des planchers diaphragmes et le bilan des approches normatives pour l’analyse de ces diaphragmes. Ainsi, une description détaillée des éléments structuraux qui composent les maisons ou bâtiments d’habitation à ossature bois est réalisée. Ce type de structure est divisé en deux groupes : Diaphragmes horizontaux (planchers diaphragmes) et diaphragmes verticaux (murs de contreventement).
32
diaphragmes en bois a constitué le centre d’intérêt de plusieurs travaux de recherche. Ces travaux représentent un point de départ pour le développement de la présente étude en considérant les approches numériques, expérimentales et analytiques.
33
I.1
DIAPHRAGMES HORIZONTAUX ET VERTICAUX EN BOIS
Les structures résistantes des bâtiments en bois sont souvent composées par des planchers qui supportent les charges verticales et horizontales. Les planchers transmettent la totalité des charges horizontales aux murs de contreventement (murs primaires au sens de l’Eurocode 8 [CEN 1998]) et transmettent tout ou partie des charges verticales vers ces contreventements ; une partie pouvant être transmise à des éléments porteurs secondaires, tels que des poteaux. De nombreuses techniques de construction sont actuellement utilisées pour les murs et les planchers. Pour les murs, on peut citer les systèmes poteaux-poutres triangulés, les panneaux de bois massifs à planches croisées clouées ou collées (CLT), les murs à ossature bois… Pour les planchers, on va retrouver les CLT collés, les dalles massives à planches parallèles clouées, les systèmes en caissons, les planchers traditionnels avec poutraison et panneaux… Ici, nous nous intéresserons aux planchers traditionnels usuels avec panneaux minces cloués ou vissés sur un système de poutraison. Ces planchers sont très répandus dans les constructions en bois [ARN 2011], notamment de par leur résistance, légèreté et économie de construction, mais aussi parce qu’ils permettent d’assurer, en association avec des éléments non structuraux, les différentes exigences d’isolations et de confort. Selon l’architecture du bâtiment, les planchers diaphragmes en bois peuvent avoir des formes différentes de la forme rectangulaire courante. Néanmoins, en première approche, dans ce travail de recherche, l’application concerne la forme rectangulaire courante.
I.1.1
Configuration géométrique des planchers diaphragmes et des murs de
contreventement courants
Le premier élément qui compose un plancher diaphragme en bois correspond aux solives. Celles-ci, pour un plancher rectangulaire simple, sont mises en œuvre transversalement sur la longueur du plancher, et elles sont dimensionnées principalement pour résister aux charges verticales. En conséquence, leur sections est calculée afin d’optimiser la résistance en flexion hors plan du plancher. Pour cet élément, le bois massif est souvent utilisé. Pour des grandes portées (grande largeur du plancher), ou des charges d’exploitation importantes, des poutres en
bois lamellé collé ou des poutres avec des sections en I sont privilégiées. La Figure I-1a propose
une illustration d’un tel plancher.
34
chaînage pour le plancher. Selon la longueur du plancher, cette structure de chaînage est composée d’une ou plusieurs poutres ; des liaisons entre ces composants de chaînage doivent être mises en œuvre. En outre, des entretoises entre les solives sont nécessaires ou exigées afin d’assurer d’une part la stabilité au déversement des solives si c’est nécessaire, et d’autre part et surtout d’apporter un appui et une continuité périphérique de liaison des panneaux de plancher au système de poutraison. Ces entretoises ont généralement une section transversale plus petite que les solives, ceci permet de minimiser le poids propre du plancher, de faciliter le passage de gaines techniques… La connexion entre les entretoises et les solives est réalisée par des sabots ou plus généralement par des clous lardés.
Figure I-1. Configurations courantes de planchers diaphragmes en bois. a) Plancher avec
entretoises. b) Plancher sans entretoises. c) Plancher avec trémie.
La surface d’exploitation du plancher est réalisée directement par les panneaux à base de bois, comme par exemple des panneaux de particules, contreplaqué, OSB…, ou par des éléments surfaciques interposés entre le revêtement de sol et les panneaux afin de conférer au plancher de meilleures caractéristiques acoustiques par exemple. Les panneaux de plancher sont de taille modérée afin de favoriser leur manutention et leur pose ; une taille courante pour ces panneaux est par exemple 2,5x0,675m² ou 2,4x0,60m². Le principal objectif de ces panneaux est de recevoir les charges verticales et de les transmette vers les solives, ainsi leur épaisseur est essentiellement calculée en fonction des charges verticales et de l’entraxe entre solives. La distribution des panneaux peut suivre différents motifs, où la plus courante est celle qui dispose les panneaux mis en œuvre en quinconce. La connexion entre les panneaux et les solives est effectué par des clous, des vis, des agrafes ou plus rarement par collage. En présence d’entretoises, les panneaux sont connectés également à celles-ci de manière d’augmenter la surface de connexion, homogénéiser le flux de cisaillement repris par les connexions et favoriser le monolithisme du diaphragme. Dans le cas des planchers avec des trémies, la zone autour
35 l’ouverture est renforcée avec des solives doublées ou de section plus importante. La Figure I-1 illustre trois configurations typiques de plancher.
Les murs de contreventement en bois présentent généralement une configuration analogue aux planchers diaphragmes, cf. Figure I-2. Des montants verticaux avec une section carrée ou rectangulaire plus petite par rapport aux solives des planchers, sont régulièrement espacés. Ces montants ont principalement la fonction de transférer les charges verticales provenant des planchers où des étages supérieurs, vers les fondations ou structures inférieures. Ainsi, leur section est habituellement déterminée par les efforts axiaux auxquels ils sont soumis. Des poutres de petite section appelées lisses, sont mises horizontalement sur la partie supérieure et inférieure des montants. Ces lisses regroupent deux montants extrêmes et un ou plusieurs montants intermédiaires et forment des cadres. La connexion entre ces éléments est généralement réalisée avec des équerres métalliques, des boulons, des clous, …etc.
Figure I-2. Configuration courante d’un mur de contreventement à ossature bois avec une
ouverture.
Les cadres composés par les lisses horizontales et les montants, sont revêtus par des panneaux de même nature que ceux utilisés dans les planchers, il sont cependant d’épaisseur plus faible et
de plus grandes dimensions en plan sur une hauteur d’étage (2,5x1,25 à 3x1,25m2). Ces
panneaux travaillant comme des voiles verticaux, apportent la raideur dans le plan au mur vis-à-vis les charges horizontales. La connexion entre les panneaux et les cadres des murs est généralement réalisée par l’intermédiaire des clous, vis, agrafes ou colles. Cet ensemble est souvent appelé « contreventement élémentaire ».
Afin de solidariser les contreventements élémentaires implantés sur une même ligne de mur, une lisse de chaînage au sommet des contreventements est mise en place. Ces poutres font partie du système de chaînage horizontal qui permet un meilleur transfert des efforts horizontaux sur les différents contreventements élémentaires. Dans certains cas, on rencontre
Panneaux de revêtement y x z Montants de renfort Montants Ancrage aux fondations
Lisse haute Lisse de chaînage
Semelle d’assise
Lisse basse Ouverture
36
une lisse continue à la base des murs. L’ancrage des murs aux fondations est réalisé par l’intermédiaire de boulons, tiges de scellement, chevilles d’ancrage spécialement adaptés pour cet effet. Chaque contreventement élémentaire doit être ancré vis-à-vis de la reprise d’e l’effort tranchant à la base et vis-à-vis du moment de renversement engendré par la distribution verticale des efforts sismiques appliqués sur chaque élévation de contreventement. L’Eurocode 8 [CEN 1998] impose une continuité en élévation des contreventements. Dans le cas des murs avec des ouvertures (portées d’accès, fenêtres), un renforcement de cette zone est prévu.
I.1.2
Fonctionnement mécanique d’un bâtiment en bois sous sollicitation
sismique
Une sollicitation sismique peut se traduire par une charge horizontale appliquée au centre de masses d’un bâtiment. Les masses d’un bâtiment sont majoritairement distribuées au niveau des planchers (masses de ceux-ci, partie permanente des charges d’exploitation et par extension masse de deux demi-hauteurs des murs sous et sur le plancher). De cette façon, les forces horizontales d’origine sismique peuvent d’une manière simplifiée être considérées appliquées au droit de ces planchers. Considérons une structure simple composée par un plancher appuyé sur quatre murs de contreventement (cf. Figure I-3). On observe que le plancher-diaphragme transmet les charges sismiques vers les murs parallèles à la sollicitation par des efforts en tête de ces murs. En conséquence, ces murs doivent transmettre les charges sismiques aux fondations par un effort tranchant et un moment fléchissant au niveau des ancrages. A charge au concepteur de s’assurer que les déplacements du plancher n’engendrent pas de rotations, à la base et en tête des murs perpendiculaires à l’action, incompatibles avec les possibilités autorisées par les dispositions constructives [ATC 48B, RAC 1997].
Figure I-3. Schéma de distribution des efforts d’origine sismique d’un bâtiment composé par un
plancher-diaphragme et des murs de contreventement.
Mur de contreventement Action sismique
